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Die Erfindung betrifft ein Sicherheitsventil, insbesondere ein Hochdruck-Sicherheitsventil, mit einem Vorsteuerventilelement, einem Vorsteuerventilantrieb und einem Hauptventilelement, das mit einem Hauptventilsitz zusammenwirkt.
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Ein solches Sicherheitsventil ist ein sogenanntes vorgesteuertes Ventil oder Servoventil, mit dem Fluide, die unter einem hohen Druck stehen, auch dann zuverlässig gesteuert werden können, ohne dass der Ventilantrieb eine hohe Leistung haben muss. Vorgesteuerte Ventil sind allgemein bekannt.
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Der Nachteil der bekannten Magnetventile, die stromlos geschlossen sind, besteht darin, dass sie bei Bestromung in der geöffneten Schaltstellung gehalten werden und, wenn sie stromlos werden, mit Federkraft in die geschlossene Schaltstellung zurückfallen.
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Dies kann am Anwendungsfall eines Hochdruck-Sicherheitsventils verdeutlicht werden, das beispielsweise als Teil einer Feuerlöscheinrichtung in einem Zug verwendet wird. Im Brandfall wird das Ventil geöffnet, um Wasser zum Löschen bereitzustellen. Falls es in Folge des Brands zu einem Stromausfall kommt, kann der Ventilantrieb das Ventilelement nicht im offenen Zustand halten; das Magnetventil wird stromlos in seinen geschlossenen Schaltzustand versetzt. Dadurch würde die Versorgung mit Löschwasser unterbrochen.
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Bekannt sind auch sogenannte Impulsventile, die durch einen Impuls eines Ventilantriebs aus einem Schaltzustand in einen anderen Schaltzustand gebracht werden können. Beispiele finden sich in der
DE 20 37 774 A und der
EP 1 316 749 A2 . Bei diesen Ventilen sorgt ein Impuls einer Magnetspule für das Öffnen. Erst nach einem weiteren Impuls wird das Ventil wieder in seine Schließstellung versetzt. Herkömmliche Impulsmagnetventile sind aber mangels ausreichender Magnetkraft nicht für Hochdruckanwendungen geeignet.
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Aus der
US 2007 / 0 241 298 A1 ist ein Ventil bekannt, das elektromechanisch mittels einer Spule und einem Anker betätigt wird. Es ist ein Permanentmagnet vorhanden, mit dem das Ventilelement in einer geschlossenen Stellung gehalten werden kann.
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Aus der
DE 10 2013 018 855 A1 ist ein fluidgesteuertes Ventil bekannt, bei dem ein Vorsteuerventil verwendet wird, um das Hauptventilelement vom Permanentmagneten zu lösen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Hochdruck-Sicherheitsventil zu schaffen, das, nachdem es in die geöffnete Stellung gebracht wurde, auch bei einem Stromausfall geöffnet bleibt. Dabei soll das Ventil für Fluiddrücke bis ca. 350 bar und Nennweiten bis ca. 25 mm geeignet sein.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Sicherheitsventil der eingangs genannten Art ein Permanentmagnet vorgesehen, der dem Hauptventilelement zugeordnet ist und dieses in einer geöffneten Stellung halten kann, wobei ein Hauptventilantrieb vorgesehen ist, der mit dem Hauptventilelement zusammenwirkt, und wobei der Vorsteuerventilantrieb zum Öffnen einer Fluidverbindung zwischen einem Fluideingang und einem Fluidausgang und der Hauptventilantrieb zum Schließen einer Fluidverbindung zwischen dem Fluideingang und dem Fluidausgang ausgebildet ist.
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Der Permanentmagnet „fängt“ das Hauptventilelement, wenn es in die geöffnete Stellung gebracht wird, und gewährleistet, dass es in dieser Stellung auch dann verbleibt, wenn das Sicherheitsventil stromlos wird. Anders ausgedrückt: das Hauptventilelement kann nicht dadurch unbeabsichtigt in die geschlossene Stellung zurückkehren, dass die Stromversorgung für das Sicherheitsventil unterbrochen wird. Der Hauptventilantrieb ermöglicht, das Hauptventilelement mit einem externen Steuerimpuls wieder in die geschlossene Stellung zu bringen.
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Vorzugsweise ist dabei vorgesehen, dass der Hauptventilantrieb eine Magnetspule, einen beweglichen Kern aus ferromagnetischem Material, einen feststehenden Stopfen aus ferromagnetischem Material, ein Joch und den Permanentmagneten aufweist. Sobald das Hauptventilelement in die geöffnete Stellung gebracht ist, schließt der bewegliche Kern durch Kontakt am feststehenden Kern den Magnetkreis wegen der Wirkung des Permanentmagneten, so dass das Hauptventilelement in der geöffneten Stellung gehalten wird. Erst wenn der Hauptventilantrieb wieder bestromt wird, wird der bewegliche Kern vom feststehenden Stopfen gelöst.
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Das Hauptventilelement kann starr mit dem Kern des Hauptventilantriebs gekoppelt sein, so dass ein mechanisch einfacher Aufbau erzielt wird.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Hauptventilelement flexibel mit dem Kern des Hauptventilantriebs gekoppelt ist. Hierdurch kann verhindert werden, dass das Hauptventilelement versehentlich in der geöffneten Stellung hängen bleibt, falls es durch einen Druckstoß in der Fluidleitung kurz vom Hauptventilsitz abgehoben wird.
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Ein weiter Vorteil der losen Kopplung ist, dass das Ventil im Servicefall oder bei täglichen Tests ohne die „Fangeinrichtung“ wie ein normales Servoventil betrieben werden kann. In diesem Fall wird die Impulsspule einfach nicht mit bestromt. Die Fangeinrichtung kann bei Bedarf „scharf“ geschalten werden, indem die Impulsspule beim Öffnen des Ventils mit bestromt wird.
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Alternativ zu einem Hauptventilantrieb kann ein mechanischer Lösemechanismus vorgesehen sein, mit dem das Hauptventilelement aus der geöffneten Stellung freigegeben werden kann. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch geringe Herstellungskosten aus, erfordert jedoch eine manuelle Einwirkung eines Bedieners, um das Sicherheitsventil wieder in einen geschlossenen Zustand zurückzustellen, nachdem es einmal geöffnet wurde.
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Als weitere Alternative kann auf eine Möglichkeit zum Zurückstellen des Hauptventilelements in die geschlossene Stellung vollständig verzichtet werden. In diesem Fall muss das Sicherheitsventil, nachdem es einmal geöffnet wurde, ausgetauscht werden.
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Bei der Ausführungsform mit einem mechanischen Lösemechanismus und bei der Ausführungsform ohne Lösemechanismus kann vorgesehen sein, dass das Hauptventilelement aus einem ferromagnetischen Material besteht oder fest mit einem Bauteil verbunden ist, das aus einem ferromagnetischen Material besteht. Es ist kein verstellbarer Kern erforderlich, sondern das Hauptventilelement kann unmittelbar vom Permanentmagneten „eingefangen“ werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand verschiedener Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
- - 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht ein erfindungsgemäßes Sicherheitsventil;
- - 2 in einer Schnittansicht ein Sicherheitsventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- - 3a das Sicherheitsventil von 2 in einem ersten Zustand;
- - 3b einen Ausschnitt von 3a in vergrößertem Maßstab;
- - 4a das Sicherheitsventil von 2 in einem zweiten Zustand;
- - 4b einen Ausschnitt von 4a in vergrößertem Maßstab;
- - 5 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sicherheitsventils, von dem lediglich ein Ausschnitt vergleichbar dem in den 3b und 4b gezeigten Ausschnitt dargestellt ist.
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In 1 ist ein Hochdruck-Sicherheitsventil 10 gezeigt, das ein Fluidgehäuse 12 mit einem Fluideingang 14 und einem Fluidausgang 16 aufweist. Am Fluidgehäuse 12 sind ein erster Ventilantrieb 18 und ein zweiter Ventilantrieb 20 angeordnet.
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Bei den beiden Ventilantrieben 18, 20 handelt es sich um elektromagnetische Ventilantriebe.
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Das Hochdruck-Sicherheitsventil dient dazu, eine Fluidverbindung zwischen dem Fluideingang 14 und dem Fluidausgang 16 zu schalten, wobei die Fluiddrücke in der Größenordnung von 350 bar liegen können. Die Nennweiten der Fluidanschlüsse liegen in der Größenordnung von 25 mm.
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Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind der Fluideingang 14 und der Fluidausgang 16 im Fluidgehäuse 12 rechtwinklig zueinander angeordnet. Weiterhin ist der erste Ventilantrieb 18 senkrecht zu der Ebene angeordnet, in der sich der Fluideingang 14 und der Fluidausgang 16 erstrecken. Der zweite Ventilantrieb 20 ist in der Ebene von Fluideingang 14 und Fluidausgang 16 angeordnet.
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Grundsätzlich sind aber auch andere Geometrien vorstellbar. Es können sich beispielsweise der erste und der zweite Ventilantrieb 18, 20 auch in einer Ebene gegenüberliegen, und der Fluideingang 14 und der Fluidausgang 16 erstrecken sich gegenüberliegend in einer dazu senkrechten Ebene.
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In 2 ist das Hochdruck-Sicherheitsventil von 1 in einem Schnitt gezeigt. Der Fluideingang 14 ist in dieser Darstellung nicht sichtbar. Er liegt in einer Ebene senkrecht zur Papierebene.
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Die beiden Ventilantriebe 18, 20 weisen jeweils eine Spule 22, ein Kernführungsrohr 24, einen Stopfen 26, einen Kern 28 und eine Feder 30 auf. Der Kern 28 ist im Kernführungsrohr 24 verschiebbar angeordnet. Gleiche Bauteile sind in beiden Ventilantrieben mit identischen Bezugszeichen bezeichnet.
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Im Fluidgehäuse 12 sind ein Hauptventilsitz 32 und ein Vorsteuerventilsitz 34 angeordnet.
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Mit dem Hauptventilsitz 32 wirkt ein Hauptventilelement 44 zusammen, um (zusammen mit Fluidkanälen im Fluidgehäuse 12) die eigentliche Ventilfunktion des Hochdruck-Sicherheitsventils 10 zu realisieren, also das Unterbrechen und Öffnen der Fluidverbindung zwischen dem Fluideingang 14 und dem Fluidausgang 16. Der dem Hauptventilelement zugeordnete Ventilantrieb 20 stellt einen Hauptventilantrieb dar.
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Mit dem Vorsteuerventilsitz 34 wirkt ein Vorsteuerventilelement 40 zusammen, um (zusammen mit Fluidkanälen im Fluidgehäuse 12, hier konkret einem Vorsteuerkanal 46 und einer Entlastungsbohrung 48) ein Vorsteuerventil für das Hauptventilelement zu realisieren. Der dem Vorsteuerventilelement 40 zugeordnete Ventilantrieb 18 stellt einen Vorsteuerventilantrieb dar.
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In 2 sind der Hauptventilsitz 32 wie der Vorsteuerventilsitz 34 beide in einer geschlossenen Schaltstellung gezeigt.
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Das Vorsteuerventil ist stromlos geschlossen, das heißt eine Feder 30 drückt einen Kern 28 des Vorsteuerventilantriebs von einem Stopfen 26 weg in Richtung hin zum Vorsteuerventilsitz 34. Das Vorsteuerventilelement 40 ist auf der dem Vorsteuerventilsitz 34 zugewandten Seite des Kerns 28 angeordnet, so dass es von der Feder 30 gegen den Vorsteuerventilsitz 34 beaufschlagt wird. Im stromlosen Zustand des Vorsteuerventilantriebs ist das Vorsteuerventil geschlossen; das Vorsteuerventilelement verschließt den Vorsteuerventilsitz 34 dicht.
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Das Hauptventilelement 44 ist dabei zwischen einer geschlossenen Stellung, in der es dicht am Hauptventilsitz 32 anliegt, und einer geöffneten Stellung verschiebbar, in der der Fluideingang 14 über eine Ventilkammer 42 mit dem Fluidausgang 16 fluidisch verbunden ist, so dass Medium dann vom Fluideingang 14 über die Ventilkammer 42 zum Fluidausgang 16 gelangt.
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Das Hauptventilelement 44 ist hier als Kolben ausgeführt, der in der Ventilkammer 42 verschiebbar ist.
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Im Hauptventilelement 44 kann eine Sitzdichtung 45 angeordnet sein, die mit dem Hauptventilsitz 32 zusammenwirkt und die Abdichtung verbessert.
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Steht Medium (z.B. Wasser) am Fluideingang 14 an, strömt dieses zunächst in eine Ventilkammer 42, in der der Hauptventilsitz 32 und das Hauptventilelement 44 angeordnet sind.
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Im stromlosen Ausgangszustand sind der Vorsteuerventilsitz 34 und auch der Hauptventilsitz 32 geschlossen. Das anstehende Medium gelangt vom Fluideingang 14 in die Ventilkammer 42 und durch eine Druckausgleichsbohrung 36 auf die Seite des Hauptventilelements 44, die vom Hauptventilsitz 32 aus gesehen hinter dem Hauptventilelement 44 angeordnet ist. Das Medium drückt also auf die vom Hauptventilsitz 32 abgewandte Seite des Hauptventilelements 44 und unterstützt so die Dichtheit des Sicherheitsventils 10.
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Die Druckausgleichsbohrung 36 ist hier im Hauptventilelement 44 angeordnet. Es sind hier generell aber auch andere Anordnungen möglich.
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Bei Bestromen einer Spule 22 des ersten Ventilantriebs 18 wird der Vorsteuerventilsitz 34 freigegeben, indem der Kern 28 in die Spule 22 angezogen wird. In Folge gelangt Medium von der Ventilkammer 42 über den Vorsteuerkanal 46 und den Entlastungskanal 48 zum Fluidausgang 16. Dadurch dass das Medium hinter dem Kolben/Hauptventilelement 44 abfließt (der Strömungsquerschnitt ist größer als der Strömungsquerschnitt der Druckausgleichsbohrung 36), wird der Kolben vom Hauptventilsitz 32 wegbewegt und der Hauptventilsitz 32 geöffnet. Dieser Zustand ist in den 3a und 3b gezeigt.
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Die bis hier beschriebene Funktion ist von servogesteuerten Ventilen mit einer Spule bekannt.
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Bei der in den 2 bis 4 gezeigten Ausführungsform ist das Hauptventilelement 44 mittels einer Spindel 50 fest mit dem Kern 28 des zweiten Ventilantriebs 20 verbunden. Anders ausgedrückt: Die Spindel 50 ist mit einem ersten Ende fest mit dem Hauptventilelement 44 verbunden ist und mit einem zweiten Ende fest mit dem Kern 28. Die Spindel 50 ist hier in das Hauptventilelement 44 und den Kern 28 eingeschraubt.
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Im Eisenkreis der Spule 22, der ein Joch 55 enthält, ist ein Permanentmagnet 54 angeordnet.
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Wird das Hauptventilelement 44 nach Öffnen des Vorsteuerventils vom Hauptventilsitz 32 in Richtung zum Stopfen 26 des zweiten Ventilantriebs 20 verschoben, so bewegt sich also der Kern 28 gleichzeitig ebenso weiter ins Innere der Spule 22 des Hauptventilantriebs 20 bis zu einem Anschlag 52 am Stopfen 26. Hierdurch wird der Magnetkreis geschlossen, und der Kern 28 wird in Anlage am Stopfen 26 gehalten.
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Durch die Magnetkraft des Permanentmagneten 54 wird der Kern 28 dann stromlos im Hauptventilantrieb 20 am Anschlag 52 festgehalten, wenn das Sicherheitsventil 10 einmal geöffnet wurde, auch wenn der Vorsteuerventilsitz 34 geschlossen werden sollte (4). Damit bleibt das Hauptventilelement 44 mit seiner Sitzdichtung 45 auch vom Hauptventilsitz 32 entfernt.
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Der Permanentmagnet 54 bewirkt dadurch, dass nach einmaligem Schalten des Sicherheitsventils 10 durch Schalten des Vorsteuerventils der Hauptventilsitz 32 in Folge dauerhaft offen bleibt, unabhängig davon ob der Vorsteuerventilsitz 34 weiter offen bleibt oder aber geschlossen wird. Das hat z. B. Bedeutung bei einem Stromausfall. Ohne den Permanentmagneten 54 würde bei Stromausfall zunächst das Vorsteuerventil den Vorsteuerventilsitz 34 schließen und dadurch der Hauptventilsitz 32 ebenfalls in seine Schließstellung überführt werden.
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Mit dem zweiten Ventilantrieb 20 kann das Sicherheitsventil 10 bei Bedarf nach einmalig erfolgtem Schalten wieder in einen geschlossenen Zustand zurückversetzt werden.
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Bei Bestromen der Spule 22 des Hauptventilantriebs 20 wirkt diese entgegen der Magnetkraft des Permanentmagneten 54. Dadurch fällt der Kern 28 vom Stopfen 26 ab, und das Hauptventilelement 44 wird mit Federkraft in Richtung zum Hauptventilsitz 32 bewegt, so dass der Hauptventilsitz 32 des Sicherheitsventils 10 wieder geschlossen wird.
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Die beschriebene Funktion des zweiten Antriebs 20 ist vor allem vorteilhaft, um Testzyklen des Sicherheitsventils 10 fahren zu können.
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In den 5a und 5b ist eine zweite Ausführungsform beschrieben. Für die von der ersten Ausführungsform bekannten Bauteile werden dieselben Bezugszeichen verwendet, und es wird insoweit auf die obigen Erläuterungen verwiesen.
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Der Unterschied zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform besteht darin, dass bei der zweiten Ausführungsform die Spindel 51 nur fest mit dem Hauptventilelement 44 verbunden ist (beispielsweise eingeschraubt), aber nicht fest/starr mit dem Kern 28 verbunden ist, wie in der Detailansicht in 5b gezeigt. Stattdessen wird ein Mitnahmemechanismus 60 verwendet.
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Die lose Kopplung wird dadurch erreicht, dass die Spindel 51 nicht fest mit dem Kern 28 verbunden ist und die Feder 30 in einem Federgehäuse 31 innerhalb des Kerns 28 gefasst ist, so dass sie nicht direkt an der Spindel 51 anliegt. Die Spindel 51 ist innerhalb des Kerns 28 ein Stück weit verschiebbar angeordnet.
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Der Mitnahmemechanismus weist einen erweiterten Kopf 61 auf, der in eine Bohrung im Kern 28 eingreift und in einer Richtung (bei einer Bewegung des Kerns 28 in 5 nach rechts) von einer Verengung am Ende der Bohrung mitgenommen wird. Falls das Hauptventilelement 44 nach rechts bewegt wird, hebt der Kopf 61 von der Verengung ab und wird in den Kern 28 hineingeschoben, ohne dass der Kern 28 verstellt wird.
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Die lose Kopplung durch den Mitnahmemechanismus 60 bewirkt, dass das Sicherheitsventil 10 erst öffnet, d.h. der Hauptventilsitz 32 erst geöffnet wird, wenn nicht nur der Vorsteuerventilsitz 34 geöffnet ist, sondern zusätzlich der zweite Ventilantrieb 20 kurzzeitig bestromt wird. Dadurch wird der Kern 28 des zweiten Ventilantriebs 20 zum Stopfen 26 gezogen und damit der Hauptventilsitz 32 geöffnet. Sollte nämlich das Hauptventilelement 44 (beispielsweise durch einen kurzzeitigen Druckstoß in der Fluidleitung) kurz vom Hauptventilsitz abgehoben werden, geschieht dies, ohne dass der Kern 28 verstellt wird. Daher kann der Permanentmagnet den Kern 28 und damit das Hauptventilelement 44 nicht „einfangen“, sondern das Hauptventilelement 44 kehrt unter der Wirkung einer Feder 62, die es hin zum Hauptventilsitz 32 beaufschlagt, wieder in die geschlossene Stellung zurück.
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Die weitere Funktionsweise ist identisch zum ersten Ausführungsbeispiel. Der Kern 28 wird dann vom Permanentmagnet 54 am Anschlag 52 gehalten und ändert seine Position nur durch einen nächsten Stromimpuls auf die Spule 22 des Hauptventilantriebs 20.
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Das Hauptventilelement 44 ist in beiden Ausführungsbeispielen als Kolben ausgebildet, der vorzugsweise aus Metall z.B. Messing oder Edelstahl gebildet ist. Der Kern 28 muss aus weichmagnetischem bzw. ferromagnetischen Material gefertigt sein.
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Die Hauptsitzdichtung 45, die mit dem Hauptventilsitz 32 zusammenwirkt, ist bevorzugt aus PCTFE, PTFE, PEEK oder einem anderen Werkstoff mit vergleichbaren Eigenschaften.
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Gemäß einer nicht dargestellten weiteren Ausführungsform wird auf den Hauptventilantrieb verzichtet. Dabei wird entweder der Kolben aus weichmagnetischem Material ausgeführt, der dann seitlich durch einen Permanentmagneten gefangen wird, oder der Kolben bleibt aus Edelstahl und ist mit einem Kern aus weichmagnetischem Material verbunden, der dann nach dem Öffnen vom Permanentmagnet gehalten wird.
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Die seitliche Öffnung im Fluidgehäuse 12 wird dann an der Stelle, wo sonst der zweite Ventilantrieb angeordnet ist, mit einem Deckel verschlossen.
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Um das Hauptventilelement wieder in die geschlossene Stellung zu bringen, kann ein mechanischer Lösemechanismus verwendet werden, um das Hauptventilelement bei Bedarf wieder von Hand aus der geöffneten Stellung zu lösen.
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Alternativ kann auf einen Lösemechanismus vollständig verzichtet werden, so dass das Sicherheitsventil ersetzt werden muss, nachdem es einmal ausgelöst wurde, also geöffnet wurde.
